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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegenden Erfindu ng
betrifft einen Wolfram dotierten Tiegel und ein Verfahren zur Herstellung
eines Wolfram dotierten Tiegels. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum Dotieren der inneren Oberfläche, oder
der inneren und der äußeren Oberfläche eines
Quarztiegels mit Wolfram zur Erzeugung einer Schicht, die sich bei Verwendung
in einem Kristallzüchtungsverfahren ähnlich einer
blasenfreien Schicht verhält.
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Bei der Herstellung von Siliziumeinkristallen, die
durch das Czochralski-Verfahren gezüchtet werden, wird zuerst polykristallines
Silizium in einem Quarztiegel geschmolzen. Wenn das polykristalline Silizium
geschmolzen ist und die Temperatur im Gleichgewicht ist, wird ein
Impfkristall in die Schmelze getaucht und nachfolgend wieder herausgezogen, um
einen Siliziumeinkristallrohling zu bilden, während der Quarztiegel rotiert
wird. Durch die extrem hohen Temperaturen, die während des Rohlingswachstums
erreicht werden, wird der Quarztiegel langsam während des Rohlingswachstums
an der Grenzfläche
Tiegel-Schmelze aufgelöst.
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Weil das Tiegelmaterial während des
Rohlingswachstums extremen Bedingungen ausgesetzt ist, ist hochqualitatives
Quarzglas aufgrund seiner Reinheit, Temperaturstabilität und chemischen
Widerstandsfähigkeit
ein unabdingbares Tiegelmaterial für die Halbleitertechnologie.
Zur Zeit werden die meisten Tiegel, die im Czochralski-Verfahren
verwendet werden, unter Verwendung einer natürlichen Quarzsandquelle(mined
quartz sand source) hergestellt. Es sind unterschiedliche Arten
von abgebautem Quarz mit unterschiedlichen Alkalireinheitsgraden
und Partikelgrößen erhältlich.
Ungeachtet der Art jedoch enthalten diese rohen Materialien Gasbildner oder
Prekursoren in zwei Formen. Erstens kann Gas auf der Oberfläche des
Quarzsandes adsorbiert werden. Diese Art von Bildner wird im allgemeinen
als "Blasenbildner" bezeichnet, da das
adsorbierte Gas die Kornoberfläche
bei erhöhten
Temperaturen verlassen und zur Bildung großer Blasen koaleszieren kann.
Die zweite Art von Gasbildnern sind Gase, die im Sandkorn selbst
löslich
sind. Wiederum kann bei erhöhten
Temperaturen das gelöste
Gas koaleszieren und Blasen formen. Beispiele von in Quarzsand adsorbierten
und löslichen
Gasen schließen
Stickstoff, Argon, Sauerstoff und andere Gase vom organischen Typ
mit ein. Diese Gasbildner, zusammen mit Blasen, die natürlicherweise
in verschmolzenen Quarztiegeln vorhanden sind, können zu vielen Problemen bei
Kristallzüchtungsverfahren
führen
und Rohlingsdefekte erzeugen.
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Unter Verwendung eines Quarztiegels
in einem Kristallzüchtungsverfahren
können
Gasbildner, die sich in der Siliziumoxid(Silica)matrix auf und unter der
inneren Oberfläche
des Tiegels befinden, koaleszieren und zu Keimbildung und/oder dem
Wachstum von Blasen auf der Tiegeloberfläche führen, wobei sie zur Reduktion
der thermischen Brauchzeit (usable thermal life) des Tiegels führen. Diese
Blasenkeimbildung und/oder das Bläsenwachstum auf der inneren
Oberfläche
des Tiegels kann zur Bildung von Vertiefungen auf der Quarzoberfläche führen, welche wiederum
zur Erzeugung von Partikeln führen
kann, welche auch in die Schmelze eindringen können und zu einem Verlust an
der perfekten Struktur des wachsenden Rohlings führen. Die gewöhnlich für das Rohlingswachstumsverfahren
verwendeten Tiegel können
etwa zwanzig Vertiefungen/cm2 auf der Oberfläche enthalten,
wobei jede Vertiefung ungefähr
100 bis etwa 400 Mikrometer Durchmesser aufweist. Außerdem können die
gebildeten Blasen ihrerseits an der Siliziumschmelze-Kristall-Grenzfläche eingelagert
werden, dabei Teil des wachsenden Kristalls werden und zu Hohlraumdefekten
im Kristall führen.
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Um die Funktionalität von in
einem Kristallzüchtungsverfahren
verwendeten Quarztiegeln zu erhöhen,
weisen für
das Czochralski-Wachstum von Einkristallrohling typischerweise verwendeten
Tiegel zwei ausgeprägte
Schichten auf. Die äußere Schicht, welche
im Kontakt mit den Graphitheizern, die den Tiegel halten, steht,
enthält
eine hohe Blasendichte, um den Transfer der Strahlungsenergie zur
Schmelze und zum wachsenden Rohling zu regulieren. Die innere Oberfläche des
Tiegels, welche im Kontakt mit der Siliziumschmelze steht, enthält eine
an Blasen reduzierte Schicht, die gewöhnlich in der Technik als "blasenfreie Schicht" oder "freie Schicht" bezeichnet wird.
Diese blasenfreie Schicht ist nicht restlos blasenfrei und kann
sich durch die Keimbildung und/oder das Wachstum von Blasen verschlechtern, wenn
sie den im Kristallzüchtungsverfahren üblichen Temperaturen
ausgesetzt ist, was zu einer limitierten Lebenszeit des Tiegels
und einer möglichen
Abnahme der Qualität
des wachsenden Rohlings führt.
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Kürzlich
wurden viele Versuche gemacht, um auf der inneren Oberfläche des
Tiegels eine blasenfreie Schicht zu erzeugen, die weitestgehend
frei von Blasen ist. Auch wenn einige Fortschritte bei der thermischen
Stabilität
der inneren Schicht bezüglich
der Bildung von Blasen gemacht wurden, werden immer noch Blasen
gebildet und/oder wachsen während des
Rohlingswachstums, da die Verfahren, die bis zum heutigen Tag verwendet
werden, fehlschlagen, alle Gase zu entfernen, die auf den Quarzkörnern, aus
denen der Tiegel besteht, adsorbiert sind oder darin löslich sind.
Deswegen verbleibt ein Bedarf für einen
Quarztiegel, der eine Schicht auf der inneren Oberfläche aufweist,
die weitestgehend frei von Blasen ist, so dass die Blasenbildung
und/oder das Blasenwachstum reduziert oder vermieden wird, und folglich
die Rohlingsverschlechterung nicht auftritt.
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Außerdem besteht ein industrieller
Bedarf für Quarztiegel,
die eine weitestgehend blasenfreie Schicht auf der äußeren Oberfläche aufweisen,
so dass während
dem Kontakt mit den Graphitheizern während des Rohlingswachstums
eine verbesserte chemische Stabilität des Tiegels erreicht wird.
Bis heute sind Versuche Stabilität
zu gewähren
auf die Verwendung von chemischen Barriereschichten beschränkt gewesen,
um die Reaktion zwischen dem Quarz und dem Heizer zu minimieren,
wobei die chemische Barriere in Form einer nur auf die äußere Oberfläche des
Tiegels oder die innere Oberfläche des
Heizers aufgebrachten Beschichtung vorliegt, (siehe z. B. PCT-Anmeldung
Nr. WO 98/48085). Andere Versuche den Tiegel zu stärken, wurden
in Verbindung mit anderen Vorhaben als der Bildung von blasenfreien
Schichten gemacht, wie der Limitierung des Sauerstoffgehalts im
Siliziumeinkristall durch das Auskleiden des Quarztiegels mit einem
hochschmelzenden, gegenüber
Silizium inertem Metall, wie Platin oder Iridium (siehe z. B. Japanische
Patentanmeldung Nr. 56211164/Veröffentlichungs-Nr.
58115088).
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Zu den Aufgaben der Erfindung zählen daher:
Die Bereitstellung eines Verfahrens für die Herstellung eines Quarztiegels,
der eine Wolfram dotierte Schicht auf der inneren Oberfläche aufweist,
die Bereitstellung eines Verfahrens für die Herstellung eines Quarztiegels,
der eine Wolfram dotierte Schicht auf der inneren und der äußeren Oberfläche aufweist,
das Bereitstellen eines Verfahrens für die Herstellung eines Quarztiegels,
der eine verbesserte thermische Stabilität bezüglich der Bildung und/oder des
Wachstums von Blasen aufweist, und die Bereitstellung eines Tiegels,
der eine verminderte Reaktivität
mit Graphitkomponenten aufweist.
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Zusammengefasst betrifft daher die
vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels,
der eine Wolfram dotierte Schicht aufweist. Das Verfahren umfasst
das Abscheiden von Wolfram auf einer Oberfläche des Tiegels und das Eindiffundieren
des Wolframs in die Tiegeloberfläche
in einer Umgebung, die weitestgehend frei von Sauerstoff ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der zwei
Wolfram dotierte Schichten aufweist. Das Verfahren umfasst das Abscheiden
von Wolfram auf der inneren und äußeren Oberfläche des
Tiegels und das Tempern des Wolframs in die Oberfläche in einer Umgebung,
die weitestgehend frei von Sauerstoff ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein
Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram dotierte
Schicht auf einer inneren Oberfläche
aufweist. Das Verfahren umfasst das mit Energie Aufladen bzw. eine
Spannung anlegen (eng. energizing) einer Wolframquelle in einer
Umgebung, die weitestgehend frei von Sauerstoff ist, um die Quelle
aufzuheizen und einen Wolframdampf zu bilden. Die Umgebung, in der
die Wolframquelle aufgeheizt wird, ist durch den Innenraum des Tiegels
definiert. Die innere Oberfläche
wird dem Wolframdampf ausgesetzt, um Wolfram in die innere Oberfläche einzudiffundieren
und eine Wolfram dotierte Schichte zu erzeugen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein
Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram dotierte
Schicht aufweist. Das Verfahren umfasst das Aufbringen und Trocknenlassen
einer Schicht, einer Wolfram enthaltenden Verbindung auf der Oberfläche des
Tiegels. Eine Schicht Siliziumoxid (Silika) wird darauffolgend über die
Beschichtung aufgebracht und der Tiegel wird bei einer Temperatur
zwischen etwa 550°C
und etwa 900°C
getempert (annealed), um die Verbindung und die Siliziumschicht
zu interdiffundieren und eine Schicht in dem Tiegel zu erzeugen,
die wenigstens etwa 100 ppba Wolfram enthält.
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Die Erfindung betrifft ferner ein
Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram dotierte
Schicht aufweist. Das Verfahren umfasst das Mischen einer Wolfram
enthaltenden Verbindung und eines Siliziumoxid (Silika) enthaltenden
Gels und das Aufbringen und Trocknenlassen der Mischung auf einer
Oberfläche
des Tiegels. Der Tiegel wird dann bei einer Temperatur zwischen
etwa 550°C
und etwa 900°C
getempert, um eine Schicht in dem Tiegel zu erzeugen, die wenigstens
etwa 100 ppba Wolfram aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner einen
Tiegel, der eine Wolfram dotierte Schicht auf der inneren Oberfläche aufweist.
Die Wolfram dotierte Schicht weist eine Dicke von zwischen 0,1 und
4 Millimeter auf und enthält
nicht weniger als etwa 100 ppba Wolfram.
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Die vorliegenden Erfindung betrifft
ferner einen Tiegel, der eine Wolfram dotierte Schicht auf der inneren
und der äußeren Oberfläche aufweist.
Die Wolfram dotierte Schicht auf der inneren Oberfläche weist
eine Dicke zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 4 Millimeter auf
und die Wolfram dotierte Schicht auf der äußeren Oberfläche weist
eine Dicke zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 6 Millimeter auf.
Beide Wolfram-dotierten Schichten enthalten nicht weniger als etwa
100 ppba Wolfram.
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Die vorliegenden Erfindung betrifft
ferner einen Tiegel, der ein Wolframdotierungsmittel enthält. Das
Dotierungsmittel ist zwischen der inneren Oberfläche und einer zentralen Fläche in dem
Tiegel so verteilt, dass die Dichte des Dotierungsmittels von der
inneren Oberfläche
in Richtung der zentralen Fläche
abnimmt, um einen Bereich zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa
4 Millimeter Dicke zu erzeugen, der eine Wolframkonzentration von
mindestens 100 ppba aufweist. Außerdem ist das Wolframdotierungsmittel
zwischen der äußeren Oberfläche und
der zentralen Fläche
so verteilt, dass die Dichte des Wolframdotierungsmittels von der äußeren Oberfläche in Richtung
der zentralen Fläche
abnimmt, um einen Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 6 Millimeter
Dicke zu erzeugen, der eine Wolframkonzentration von mindestens
100 ppba aufweist.
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Die vorliegenden Erfindung betrifft
ferner eine Vorrichtung, um Wolfram in die Oberfläche eines Quarztiegels
einzudiffundieren, um eine Wolfram dotierte Schicht zu erzeugen.
Die Vorrichtung umfasst einen horizontalen Träger, um den Tiegel zu unterstützen, eine
Wolframquelle, die durch den Träger hindurch
und in das Innere des aufliegenden Tiegels hineinreicht, eine Energiequelle,
um die Wolframquelle mit Energie zu versehen bzw. um an der Wolframquelle
eine Spannung anzulegen (engl. energizing)und aufzuheizen, um einen
erhitzten Wolframdampf zu erzeugen, einen Gaseinlass, der in der
horizontalen Auflage positioniert ist, um ein Spülgas in den aufliegenden Tiegel
einzuführen,
und einen Gasauslass, der in der Auflage positioniert ist, um das Spülgas aus
dem Inneren des Tiegels zu entfernen.
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Andere Aufgaben und Merkmale dieser
Erfindung erschließen
sich zum Teil und werden zum Teil weiter unten herausgestellt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Abbildung einer Vorrichtung für das Tempern eines Wolframdotierungsmittels
in die innere Oberfläche
eines Tiegels.
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2 zeigt
eine Abbildung eines Quarztiegels.
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3 zeigt
eine Abbildung einer Vorrichtung zum Tempern eines Wolframdotierungsmittels
in die innere und/oder äußere Oberfläche eines
Tiegels.
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Entsprechende Referenzkennzeichen
zeigen in allen Zeichnungen entsprechende Teile an.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung hat es sich gezeigt, dass durch das Eindiffundieren einer
geringen Menge von Wolframdotierungsmittel in eine Oberfläche eines
Quarztiegels bei erhöhter
Temperatur, Quarztiegl mit Wolfram-dotierten Schichten auf der inneren
Oberfläche
oder auf der inneren und äußeren Oberfläche hergestellt
werden können,
die sich während
der Verwendung in einem Kristallzüchtungsverfahren ähnlich einer
blasenfreien Schicht verhalten. Überraschend
verursacht das Wolframdotierungsmittel in der Quarzmatrix, dass
die Blasen in der behandelten Oberfläche des Quarztiegel kollabieren
und sich nicht während
nachfolgender thermischer Benutzung wiederbilden, ohne Ausdiffundieren
von Wolfram aus der Tiegeloberfläche
oder Verunreinigung des wachsenden Rohlings, was zu einem Verlust
an dislokationsfreiem Wachstum (engt. zero dislocation growth) und/oder
der Reduktion der Kristallqualität
führen
kann. Der Kollaps der Blasen hält
Partikel und Blasen davon ab, aus der inneren Oberfläche in die
Schmelze einzudringen und die Defektbildung in dem wachsenden Rohling zu
verursachen. Außerdem
kann der Kollaps der Blasen auf der äußeren Oberfläche die
mechanische Belastbarkeit des Tiegels erhöhen und unerwünschte Reaktionen
mit den Graphitauflageflächen
verringern.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 2 zum Tempern eines Wolframdotierungsmittel
in die innere Oberfläche
eines Tiegels 4 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Der Tiegel 4, der in 1 gezeigt wird, wird ferner
in 2 gezeigt, in der
gezeigt wird, dass der Tiegel 2 eine innere Oberfläche 6 und
eine äußere Oberfläche 8 aufweist.
In 1 umfasst die Vorrichtung 2 einen
horizontalen Auflagetisch 10, elektrische Leitungen 12 und 14,
die mit einer Energiequelle verbunden sind (nicht gezeigt), eine
Inertgaseinlassleitung 16, welche mit einer Inertgasquelle
verbunden ist (nicht gezeigt), eine Inertgasauslassleitung 18 und
eine Wolframquelle 20. Das inerte Gas entfernt Sauerstoff
von der Wolframquelle, um eine unerwünschte Oxidation der Quelle
und die Bildung von festen Oxiden zu verringern. Geeignete Inertgase
können
zum Beispiel Argon, Helium, Xenon und ähnliche umfassen. Der horizontale
Auflagetisch 10 trägt
den Tiegel, der behandelt wird, und kann zum Beispiel Edelstahl,
Glas oder Keramik umfassen. Tisch 10 weist die in seine
Oberfläche
gebohrten Öffnungen 22 und 24 auf,
um der Inertgaseinlassleitung 16 und der Inertgasauslassleitung 18 Zugang
zur Umgebung des zu behandelnden Tiegels zu gewähren. Außerdem weist Tisch 10 in seine
Oberfläche
gebohrte Öffnungen 26 und 28 auf, um
den elektrischen Leitungen 12 und 14 Zugang zur Wolframquelle 20 zu
erlauben.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung wird im Inneren des Tiegels ein Wolframdampf erzeugt,
wenn die elektrischen Leitungen 12 und 14 mit
Energie versorgt werden, um die Wolframquelle 20 zu heizen.
Vor dem Erhitzen der Wolframquelle 20 und dem Erzeugen
des Wolframdampfes wird inertes Gas in die Umgebung der Wolframquelle 20 durch
die Inertgaseinlassleitung 16 eingeführt. Inertgas wird kontinuierlich
während
des Beheizens der Quelle und der Erzeugung von Wolframdampf in die
Umgebung der Wolframquelle 20 eingeleitet. Inertgas wird
aus der Umgebung der Wolframquelle durch die Inertgasauslassleitung 18 entfernt.
Dieses kontinuierliche Spülen
der Umgebung der Wolframquelle 20 entfernt weitestgehend
allen Sauerstoff aus der Umgebung der Wolframquelle 20.
Der Fluss des Spülgases
sollte so sein, dass er ausreicht, um weitestgehend allen Sauerstoff
zu entfernen, so dass die Bildung von festen Oxiden weitestgehend
ausgeschlossen wird. Es muss angemerkt werden, dass der Fachmann
erkennt, dass eine kleine Menge an Dichtungsstoff, wie beispielsweise
Vakuumfett, Silikon oder andere geeignete Dichtungsstoffe zwischen dem
Tiegel und dem Auflagetisch verwendet werden können um sicherzustellen, dass
die Menge an Sauerstoff, die in die Umgebung der Wolframquelle eindringt,
reduziert wird. Außerdem
kann statt dessen oder in Kombination mit inertem Gas reduzierter Druck
verwendet werden, um die Sauerstoffkonzentration im Bereich der
Wolframquelle zu reduzieren.
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Das gasförmige Wolfram, welches durch
die beheizte Wolframquelle in der weitestgehend sauerstofffreien
Umgebung erzeugt wird, diffundiert in die innere Oberfläche des
Tiegels. Die Wolframquelle wird auf eine höhere Temperatur aufgeheizt,
was wiederum zu einem Anstieg der Temperatur auf der inneren Oberfläche führt, um
die Diffusion zu unterstützen.
Die innere Oberfläche
des Tiegels wird normalerweise dem Wolframdampf für einen
Zeitraum von zwischen etwa 1 Stunde und etwa 10 Stunden, mehr bevorzugt
von zwischen etwa 2 Stunden und etwa 8 Stunden, noch mehr bevorzugt
von zwischen etwa 4 Stunden und etwa 6 Stunden und am meisten bevorzugt
von etwa 5 Stunden ausgesetzt, um auf der inneren Oberfläche des
Tiegels eine Wolfram dotierte Schicht zu erzeugen, welche nicht
weniger als etwa 100 ppba (parts per billion atomic) Wolfram, vorzugsweise
nicht weniger als etwa 200 ppba Wolfram und am meisten bevorzugt
nicht weniger als etwa 300 ppba Wolfram enthält. Das Wolfram wird zwischen etwa
0,1 Millimeter und etwa 4 Millimeter in die innere Oberfläche eindiffundiert,
um eine Wolfram dotierte Schicht auf dieser Oberfläche zu erzeugen,
die die gleiche Tiefe des diffundierten Wolframs aufweist. Wolfram
kann in Tiegeln aller Größen eindiffundiert werden,
um deren Leistung zu erhöhen.
Der Fachmann erkennt, dass durch ein länger andauerndes Tempern, Wolfram
tiefer in die innere Oberfläche
getempert werden kann, sollte eine kommerzielle Nachfrage entstehen.
Die Wolfram dotierte Schicht verhält sich bei der Verwendung
in einem Kristallzüchtungsverfahren ähnlich einer
blasenfreien Schicht und könnte
eine solche sein.
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Der Fachmann erkennt außerdem,
dass das getemperte Wolfram keinen scharfen Übergang von zum Beispiel 100
ppba zu 0 ppba innerhalb des Tiegels erzeugt. Während das Wolfram in die Oberfläche getempert
wird, wird ein Gradient erzeugt, und obwohl eine Wolfram dotierte
Schicht mit einer Dicke von z. B. 4 Millimeter erzeugt wird, diffundiert
etwas Wolfram über
diesen 4 Millimeterbereich hinaus in den Tiegel hinein.
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Der Ausdruck blasenfreie Schicht
kann, wie er hier verwendet wird, bedeuten, dass die Schicht völlig blasenfrei
ist oder dass sie weitestgehend frei von Blasen ist. Derzeit übliche,
analytische Nachweisverfahren zur Identifizierung von Blasen in Quarztiegeln
sind in der Lage, Blasen mit einem Durchmesser von etwa 15 Mikrometern
nachzuweisen. Wenn Wolfram in die innere Oberfläche eines Tiegels in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung bis zu einer Tiefe von zwischen etwa
0,1 Millimeter und etwa 4 Millimeter eingetempert wird, weist der
Bereich (Fläche,
engt. area) der Wolfram enthält,
0 Blasen pro Kubikmillimeter auf, die einen Durchmesser von mindestens
etwa 15 Mikrometer aufweisen. Gleichermaßen enthält der Tiegel nach den für ein Rohlingswachstumsverfahren üblichen thermischen
Durchläufen
0 Blasen pro Kubikmillimeter, die einen Durchmesser von mindestens
etwa 15 Mikrometer aufweisen. Der Fachmann erkennt, dass, da analytische
Nachweisverfahren verbessert werden und damit Blasen mit einem kleineren
Durchmesser indentifiziert werden können, es bevorzugt wird, dass
die Menge an Wolfram, die in die Oberfläche des Tiegels eingetempert
wird, entsprechend angepasst wird, um einen Grad an nicht detektierbaren Blasen
in dem Wolfram dotierten Bereich zu erreichen, wie er oben besprochen
ist.
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Wenn der Tiegel, der die Wolfram
dotierte Schicht aufweist, nachfolgend in einem Kristallziehverfahren
verwendet wird, wird der Tiegel entsprechend den extremen Bedingungen,
die für
ein Rohlingswachstum notwendig sind, langsam in die Siliziumschmelze
aufgelöst.
So gelangtdas Wolfram, welches sich in der Quarzmatrix befindet
und in die Schmelze aufgelöst wird,
in die Siliziumschmelze. Es wurde jedoch gezeigt, dass das Wolfram
nicht in den wachsenden Rohling in nachweisbaren Mengen eintritt.
Hierfür
scheint es zweierlei Gründe
zu geben. Da erstens nur eine so geringe Menge an Wolfram für das Eintempern
in den Tiegel benötigt
wird, um den gewünschten
Effekt zu erhalten, ist keine wesentliche Menge an Wolfram in der
Schmelze vorhanden. Zweitens tendiert Wolfram aufgrund seines niedrigen Segregationskoeffizienten
dazu, im flüssigen
Silizium zurückzubleiben
und nicht in den wachsenden Rohling einkristallisiert zu werden.
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Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden werden
zu wollen, glaubt man, dass das Eintempern von Wolfram in und unter
die Tiegeloberfläche
und in das Quarz oder die Siliziumoxidmatrix die Löslichkeit der
Blasenbildnergase in der verschmolzenen Quarz- oder Siliziumoxidmatrix
selbst signifikant erhöht
wird. Diese erhöhte
Löslichkeit
der Blasenbildner könnte
durch das Auftreten einer polyhedralen Umlagerung und nachfolgenden
Veränderung
der Molekularabstände,
welche während
der thermischen Behandlung vonstatten geht, verursacht werden. Das
eingetemperte Wolfram könnte
während der
nachfolgenden Hitzebehandlung die Bildung eines ungeordneten Netzwerks
von Oktaedern verursachen und so zu beträchtlich leerem Raum in der
Siliziumoxidmatrix führen.
Dieser leere Raum könnte
in signifikanten Veränderungen
der Siliziumoxideigenschaften, wie etwa der Diffusion und der Löslichkeit von
Gasen in Siliziumoxid, führen.
Es erscheint wenigstens so, dass der leere Raum, der durch die polyhedrale
Umlagerung erzeugt wird, einigen Einfluss auf die Diffusion und
Löslichkeit
von Gasbildnern hat, die Blasen während des Kristallwachstumsverfahrens
bilden können.
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In einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann Wolfram in die innere und/oder äußere Oberfläche eines
Quarztiegels eingetempert werden, um eine Wolfram dotierte Schicht auf
der inneren und der äußeren Oberfläche zu erzeugen.
Das Eintempern von Wolfram in die äußere Oberfläche des Tiegels, um eine Wolfram
dotierte Schicht zu erzeugen, kann die mechanische Belastbarkeit
des Tiegels erhöhen,
um die Deformation des Tiegels während
des Rohlingswachstums zu reduzieren. Zusätzlich reduziert eine Wolfram
dotierte Schicht auf der äußeren Oberfläche die
Reaktivität des
Tiegels mit einer den Tiegel tragenden Graphitunterlagenstruktur
und setzt daher die Menge an Verunreinigungen, die den wachsenden
Rohling und die Siliziumschmelze umgeben, herab.
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3 zeigt
eine Vorrichtung 40 zum Eintempern von Wolfram in die innere
und/oder äußere Oberfläche eines
Quarztiegels. Zusätzlich
zu den Teilen, die für
die Vorrichtung zum Eintempern von Wolfram in die innere Oberfläche eines
Quarztiegels in 1 gezeigt
werden, umfasst die Vorrichtung 40 einen Behälter 42,
ein zweites Wolframelement 44, eine zweite Inertgaseinlassleitung 30,
eine zweite Inertgasauslassleitung 32 und einen zweiten
Satz Stromleitungen 34 und 36, die mit einer Energiequelle
verbunden sind (nicht gezeigt). Der Behälter 42 kann z. B.
Glas, Edelstahl oder Keramik umfassen, und sollte gut zu der horizontalen
Auflagefläche 10 passen,
um einen guten Verschluss zu gewährleisten,
so dass das Eindringen von Sauerstoff in den Inertgas-gespülten Bereich
verhindert wird. Die zweite Wolframquelle 44 gleicht der
oben beschriebenen Wolframquelle, und die Inertgaseinlass- und Inertgasauslassleitungen 30 bzw. 34 spülen den
Behälter während des
Temperns.
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Die innere und äußere Oberfläche eines Quarztiegels kann
mit der Vorrichtung, die in 3 gezeigt
wird, behandelt werden, so dass Wolfram in beide Oberflächen eingetempert
wird, um Wolfram dotierte Schichten zu erzeugen. Die innere Oberfläche des
Tiegels wird wie oben beschrieben behandelt, so dass die Wolframquelle 20 mit
Energie versorgt wird, um Wolfram in die innere Oberfläche des Tiegels
bis zur gewünschten
Tiefe einzutempern. Die Wolframquelle 44 wird ebenfalls
mit Energie versorgt, um Wolfram in die äußere Oberfläche des Tiegels einzutempern.
Die Bereiche, welche beide Wolframquellen umgeben, werden während des
Beheizens der Quelle kontinuierlich mit Inertgas gespült, um das Vorhandensein
von Sauerstoff zu minimieren und die Wahrscheinlichkeit der Oxidation
der Quelle und der Bildung von festen Oxiden zu reduzieren.
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Um das Wolfram in die äußere Oberfläche des
Tiegels einzutempern, wird die zweite Wolframquelle mit Energie
versorgt und beheizt. Die äußere Oberfläche des
Tiegels wird üblicherweise
dem gasförmigen
Wolfram für
einem Zeitraum von zwischen etwa 1 Stunde und etwa 10 Stunden, mehr
bevorzugt von zwischen etwa 2 Stunden und etwa 8 Stunden, noch mehr
bevorzugt von zwischen etwa 4 Stunden und etwa 6 Stunden und am
meisten bevorzugt von etwa 5 Stunden ausgesetzt, um eine Wolfram
dotierte Schicht zu erzeugen, die nicht weniger als etwa 10 ppba
Wolfram, vorzugsweise nicht weniger als etwa 200 ppba Wolfram und
am meisten bevorzugt nicht weniger als etwa 300 ppba Wolfram in
der äußeren Oberfläche des
Tiegels enthält.
Das Wolfram wird zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 6 Millimeter
in die äußere Oberfläche eindiffundiert,
um eine Wolfram dotierte Schicht auf dieser Oberfläche zu erzeugen,
die eine Tiefe entsprechend der Tiefe des eindiffundierten Wolframs
aufweist. Der Bereich, der Wolfram enthält, weist 0 Blasen pro Kubikmillimeter
auf, die einen Durchmesser von mindestens etwa 15 Mikrometer aufweisen.
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Der Fachmann sollte erkennen, dass
die äußere Oberfläche eines
Tiegels alleine behandelt werden kann, um einen Tiegel erzeugen,
der nur in die äußere Oberfläche des
Tiegels eingetempertes Wolfram aufweist. Diese Erzeugung einer Wolfram
dotierten Schicht alleine auf der äußeren Oberfläche, kann bei
der Verwendung der Vorrichtung, die in 3 gezeigt wird, erreicht werden, indem
einfach die zweite Quelle für
das gewünschte
Intervall mit Energie versorgt wird. In dieser Ausführungsform
wird nur die äußere Oberfläche getempert,
da die Wolframquelle für
die Behandlung der inneren Oberfläche nicht mit Energie versorgt
wird.
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In einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann Wolfram in die innere Oberfläche oder
in die innere und äußere Oberfläche des
Quarztiegels durch die Verwendung von Wolfram-haltigen metallorganischen
Verbindungen eingetempert werden. In dieser Ausführungsform ist die metallorganische
Verbindung eine Lösung
einer Wolframverbindung in einem organischen Lösungsmittel. Diese Verbindung
wird auf der inneren Oberfläche,
der äußeren Oberfläche oder
der inneren und der äußeren Oberfläche des
Tiegels mit einer Dicke von zwischen etwa 500 und etwa 1000 Ångström aufgetragen
und getrocknet. Darauffolgend wird eine Schicht Siliziumoxid auf
den behandelten Tiegel aufgetragen, indem ein Siliziumoxidgel (Silicagel)
verwendet wird, welches durch Trocknen eine Siliziumoxidschicht
(Silikaschicht) bildet. Das Beschichten mit Siliziumoxidgel kann
wiederholt werden, um mehrere Schichten zu bilden. Der Tiegel wird
dann bei einer Temperatur zwischen etwa 550°C und etwa 900°C für einem
Zeitraum von zwischen etwa 1 und etwa 10 Stunden getempert, um die
beiden Schichten ineinander zu diffundieren (interdiffundieren),
so dass die physikalische Struktur der Siliziumoxidmatrix so verändert wird,
dass es, wie oben beschrieben, zu einem Kollaps der Blasen durch
die erhöhte
Gaslöslichkeit
kommt. Während
des Temperns werden wenigstens etwa 100 ppba Wolfram in die Tiegeloberfläche eindiffundiert
und die organischen Verbindungen verdampft.
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In einer alternativen Ausführungsform
zu den oben beschriebenen Beschichtungsschritten kann das Vermischen
von Siliziumoxid und den Wolframverbindungen unter Verwendung von
geeigneten Precursorlösungen
wie etwa Wolframisopropoxid und Tetraethylorthosilicat verwendet
werden. Die vermischten Verbindungen werden nachfolgend wie oben
beschrieben erhitzt, um die organischen Verbindungen zu verdampfen
und das Wolfram zu tempern, um den gewünschten physikalischen Effekt nach
dem Tempern zu erreichen. Zusätzlich
kann in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung eine Mischung von Wolfram und Quarzsand
in einem Lichtbogenverfahren verwendet werden, so dass das Wolfram
in der Siliziumoxidmatrix zurückbleiben kann.
Geeignete Wolframquellen für
das Lichtbogenverfahren können
Oxide des Wolframs einschließen.
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In Anbetracht obiger Ausführungen
zeigt sich, dass die verschiedenen Aufgaben der Erfindung gelöst werden.
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Da verschiedene Abwandlungen des
oben beschriebenen Wolframdotierungsverfahrens gemacht werden können, ohne
den Bereich der Erfindung zu verlassen, ist es beabsichtigt, dass
alles in der obigen Beschreibung Enthaltene als Illustration und
nicht in einer limitierenden Weise interpretiert wird.